嵌入式系统宠物引导车设计和市场分析

秦兴琳　蒋焜　叶一阳　郑桂锋

摘要：物联网的提出和使用让人与物有效通信，满足快节奏生活、不能外出陪同宠物的要求，解决宠物管控不严，扰乱社会秩序安全[9]的问题，设计出一个物联网时代能引导宠物外出，基于北斗满足主人实时监控宠物，4G、5G大背景下无线控制及图像识别，使之规定路线移动的智能宠物引导车。对超声波和红外组合避障、主人原声安抚和传感器DSP技术等方面单独研究，设计出较传统单一形式更为精确合理化的方案。

关键词：5G;物联网;北斗;传感器;宠物引导

中图分类号：TD302     文献标识码： A

文章编号：1009-3044（2021）04-0237-03

Abstract： The proposal and use of the Internet of things enable people to communicate with things effectively， meeting the requirements of fast-paced life and can not going out to accompany pets， and solve the problem that pets are not strictly controlled so that disturbing the socials safety. In the era of Internet of things， the pet can be guided to go out. Based on Beidou， the owner can monitor the pet in real time. The wireless control and image recognition under the background of 4G and 5g are designed to specify the route about Mobile intelligent pet guiding car. Under the ultrasonic and infrared combination obstacle avoidance， the host acoustic comfort and sensor DSP technology being studied separately， a more accurate and reasonable scheme is designed than the traditional single form.

Key words： 5g; Internet of thing; Beidou; Sensorpet guiding

1 概述

目前，中國北斗系统，具备动态分米级、静态厘米级的精密定位服务能力;5G低延时的特性加快通信，使定位信息和摄影图像传送速度和精确性都有大幅度的提高，嵌入式开发5G模块很快就会普及，5G的高速率、低延迟通信，将会使得宠物引导车更加智能的服务于主人和宠物。

基于物联网技术，实现对物品的智能化定位、跟踪、监控和管理，在互联网的基础上实现人物相连。机器人、语言识别、图像识别和自然语言处理等人工智能的大范围普及[2]。实现“app客户端+云平台+智能机器”，在物联网大背景下实现让宠物可以按照命令和需求移动。

本文研究并完善了引导车的应用性，无论身在何方，只要一部手机，可以随时管理和监控宠物的情况，具有普适性和前瞻性。

2 系统设计

寻求新的设计模式，通过功能车的传感器、小应用、无线传输这些完整的小生态，建立“app客户端+云平台+智能机器”一体化系统，解决宠物外出的生理需求难题。

2.1 避障测距设计

超声波传感器受环境影响小，但波束发散严重，距障碍物较远时，方向定位精度较差;红外线反应速度快，且光束发散小，但对于近似黑体的物体无法检测距离;激光技术，用于获得数据并生成精确的DEM（数字高程模型），测距精度可达厘米级，但价格昂贵，必要性不大[4]。

此系统采用超声波和红外结合对周围环境进行距离的测控，红外与超声波结合相对于单一超声波传感器，其定向精度有了很大的提高。而且，采用反应速度更快的光感应红外线传感器（如光导红外传感器，其响应时间达到了微秒级）来消除超声波传感器盲区，提高系统的整体性能[3]。如图1，传感器发出和接收超声波和红外线，遇到障碍物产生回波信号，传感器接收到信号后，经控制器进行数据处理，判断出车体与障碍物之间的距离。

对于测距功能，本系统拟使用CD4051电路和超声波接收芯片CX20106实现超声波的发射与接收。[5][6]

2.2语音播报设计

通过压力传感器采集绳端压力数据信息，传入单片机内，对传感器不通模拟量的输入通过模式识别算法，得到不同的音频输出。压力传感器状态控制单片机，不同压力输出不同模拟或数字信号，单片机做AD检测。

以便在宠物失控或者突发情况发生时能够起到警示作用控制音频的播放，压力传感器传回数据的处理通过单片机来控制继电器作为音频的开关，实现上述功能。加入语音控制模块实现智能化的人机交互，使得人语言命令后能够得到音频反馈。

2.3定位设计

定位模块，比如中国北斗系统的泰斗的N303-3，接收卫星信号，将接收到的信息通过串口通信方式发送到单片机中，单片机处理采集到的数据。定位系统，一方面，帮助定位出自身的具体方位，如图2所示;另一方面，规划遛狗机器人到达目的地的最佳路线。

中国北斗系统，其超高追踪灵敏度大大扩大了其定位的覆盖面，包含普通GPS接收模块不能定位的地方。小体积、高集成等特性使其非常适用于便携式设备像导航仪，手机、相机和车辆导航系统。

利用差分GPS（DGPS）技术，接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。

3 算法处理

3.1 5G通信

在5G加速发展的大背景下，传统媒体许多功能都可能被物联网、云技术替代，媒体融合将是大势所趋，新技术的发展，将会深远地影响新的业态形成。[7]

如图3所示，5G的开发使BBU功能拆分，核心网下沉，延时度降低，这些为手机端远程控制总体移动路线提供了基础，主人、客户端、智能牵引机器人、宠物的联系捆绑，实现让宠物可以按照命令和需求移动。[1]

3.2 路径规划

在开发Android APP的过程中，APP会将目的地设置于对应的控件，路径规划功能调用百度地图路径规划端口，当需要使用此功能时，通过实例化一个路线规划对象，之后将起点与目的地存放于节点中，并调用对象下的路径规划算法进行规划，然而，调用算法得出的路线是不能直接在地图中显示的，我们需要将结果的路线转化成一段一段的线段，再取得线段上的端点，通过将路线切分成线段，再将线段端点得出，依次连接，即得出路径规划的路线图。其过程如图4所示。

4 应用前景

室外牵引陪同的智能系统还没有被广泛应用，室内逗宠装置发展较为完善，但其功能对宠物的限制较大。针对问题，实现户外情况下对宠物的稳定引导控制，寻求新的设计模式，通过大功能车的传感器、小应用、无线传输这些完整的小生态，然后通过无线通信进行相应的大数据采集以及云端应用，基于低功耗广域网的物联网，加强主人和宠物之间的联系，即可解决户外无人无线控制宠物问题。

宠物市场渗透率较低，但呈逐年上升趋势，未来有较大的拓展空间。同时随着国内宠物行业的成熟，也将持续刺激宠物用品市场的繁荣。因而本公司的销售对象具有普适性和销售项目具有前瞻性。

5 结语

本文提出宠物外出智能化的设计理念，分析其国内外发展现状，结合宠物的生理需求和饲养者的心理需求特点，探索安全性和适用性、关注人文情怀的智能化设计原则，以及模块化和重新组合、多功能、替换与升级等，解决宠物身边无人的情况下，将如何解决外出移动问题。同时还考虑了使用者群体特征，满足低成本的需求。

参考文献：

[1] 尹斌.5G+云采编技术在全国两会报道中的应用实践[J].广播电视网络，2020，27（7）：24-26.

[2] Getac; Leading German Car Manufacturer Chooses Getac for Worldwide Provision of Rugged Mobile Devices and Solutions，2020.

[3] 王超.室内全向移动机器人系统设计及导航方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017.

[4] 曾德全，余卓平，熊璐，付志强，张培志.结构化道路下基于层次分析法的智能车避障轨迹规划[J].华南理工大学学报（自然科学版），2020，48（7）：65-75.

[5] 孙宇凤.基于超声波传感器测距系统关键技术的研究[D].西安：西安电子科技大学，2019.

[6] 袁新娜，余红英.超声波传感器在智能小车避障系统中的应用[J].绵阳师范学院学报，2009，28（8）：39-42.

[7] 刘长涛.广电5G的发展探讨[J].广播电视网络，2020，27（7）：27-28.

[8] Mallika I L，RatnamDV，RamanS，etal.Machine learning algorithm to forecast ionospheric time delays using Global Navigation satellite system observations[J].Acta Astronautica，2020，173：221-231.

[9] 簡凌宇.对于城市公共服务中宠物管理制度的思考——以上海市闵行区犬类管理为例[J].社会与公益，2019（8）：9-12.

【通联编辑：梁书】